Maschinenelemente 8. Lagerung von Wellen und Achsen Gleitlager Teil a

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1 Maschinenelemente 8 Lagerung von Wellen und Achsen Gleitlager Teil a

2 Gliederung 1. Die Zustände der Gleitenden Reibung 2. Das Hydrodynamische Lager 3. Das Hydrostatische Lager 4. Lagerwerkstoffe 5. Schmierung Date: Page 2

3 Einführung Lager: Lager haben die Aufgabe zueinander bewegliche Maschinenteile in ihren vorgegebenen Bewegungs- Richtungen genau zu führen und Kräfte vom beweglichen auf das ruhende Maschinenteil mit geringen Reibungsverlusten zu übertragen. Lager Reibung Richtung der Kräfte Gleitlager Wälzlager Radiallager Axiallager Hydrodynamische Schmierung Hydrostatische Schmierung Kugellager Rollenlager Feststoffschmierung Date: Page 3

4 1. Die Zustände der Gleitenden Reibung Bewegung zwischen zwei Teilen erzeugt eine Reibkraft. Die Reibkraft ist abhängig von der Normalkraft und einem Reibwert μ. Je kleiner der Reibwert um so geringer die Reibkraft, diese Reibkraft wirkt unserer Bewegung entgegen, deshalb versuche wir das Lager so einzubauen, dass der Reibwert sehr gering ist. Trockenreibung (Festkörperreibung) Es berühren sich die aufeinander gleitenden Flächen und verformen die Oberflächenerhöhungen. Bei ungünstigen Werkstoffpaarungen, hoher Flächenpressung oder großer Gleitgeschwindigkeit können einige Stellen an der Oberfläche miteinander verschweißen und ausreißen. Der sich ständig wiederholende Vorgang führt bei großer Wärmeentwicklung zu starkem Abrieb, und schließlich zu völligem Verschweißen der beiden bewegten Teile, dem Fressen. Mischreibung Die Mischreibung entsteht bei Beginn der Bewegung bzw. bei unzureichender Schmierung. Die Gleitflächen sind zwar mit einem Schmierfilm benetzt, berühren sich jedoch noch an einzelnen Stellen. Es entsteht eine geringe Reibung und niedriger Verschleiß als bei der Festkörperreibung. Für den Dauerbetrieb ist dieser Zustand jedoch nicht zulässig. Flüssigkeits- Schwimmreibung (Gasreibung) Die Flüssigkeitsreibung trennt ein zusammenhängender flüssiger oder gasförmiger Film die beiden aufeinander gleitenden Oberflächen. CTP/ Stang Franz Date: Page 4

5 2. Das Hydrodynamische Lager Das Grundprinzip Bei hydrodynamisch geschmierten Lagern bildet sich ein tragender Schmierfilm, wenn sich die Gleitflächen aufeinander bewegen, keilförmig angestellt sind und die Gleitgeschwindigkeit groß genug ist. Das Aufschwimmen lässt sich mit Vorgängen beim Wasserski vergleichen. Nur durch die Bewegung und die schräg zur Wasseroberfläche angestellten Skibretter wird ein genügend hoher Wasserdruck erzeugt, der den Fahrer tragen kann. Im Lager Übernimmt ein Keilspalt die Aufgabe des Schräganstellens. Da das Öl an den Gleitflächen haftet, wird es von der sich bewegenden Gleitfläche mitgenommen und in den Keilspalt hineingedrückt. Dadurch übernimmt der Druck die Spaltlänge ständig zu erreicht kurz vor der engsten Stelle h 0 sein Maximum. Danach fällt der Druck bis auf Null ab und geht in der folgenden Erweiterung in den Unterdruck über. Es spielt keine Rolle, ob die Gleitflächen wie beim Radiallager gekrümmt oder wie beim Axiallager gerade sind. Für die Druckentwicklung kommt es auf die Spalthöhe, die Länge und die Breite des Staufeldes an. Grundvoraussetzungen für hydrodynamische Lager: a. Ein sich verengender Spalt b. Ein zähes (viskoses) Medium c. Eine Relativgeschwindigkeit Date: Page 5

6 2. Das Hydrodynamische Lager Radiallager Unter Radiallagern verstehen wir Lageranordnungen, die nur Kräfte senkrecht zu einer rotierenden Welle aufnehmen können. Die rotierende Welle a wird mit einem kleinem Spiel in der Lagerbuchse b geführt. Im Spalt zwischen Welle und Buchse befindet sich das zähe Schmiermittel c. In Verlauf des Überdrucks im Schmierfilm, der die Wellenbelastung F aufnimmt und Lagerbuchse und Welle vollständig trennt, ist in Abbildung 2.3 dargestellt. Es ist zu erkennen, dass aufgrund der unsymmetrischen Druckentwicklung die Welle nach links verschoben wird. Der Überdruck steigt mit der Drehgeschwindigkeit, der Zähigkeit des verwendeten Schmiermittels und der Breite b des Lagers, der Druck fällt mit größer werdenden Spalt zwischen Welle und Buchse. Daraus folgt, dass man eine bestimmte Mindestgeschwindigkeit braucht, um eine vollständige Trennung zwischen Welle und Buchse zu erreichen. Beim Anlauf hat man erstmals eine Mischreibung. In Abbildung 2.3 kann man sehen, da im Schmierspalt ein sehr hoher Druck entsteht, wird das Schmiermittel seitlich aus dem Lager herausgedrückt. Man muss dafür sorgen, dass ständig neues Schmiermittel bereitgestellt wird, das von der rotierenden Welle in den Schmierspalt gefördert werden kann. CTEC / Stang Franz Date: Page 6

7 2. Das Hydrodynamische Lager Radiallager Stribeck - Kurve MR = Mischreibung FR = Flüssigkeitsreibung CTEC / Stang Franz Date: Page 7

8 2. Das Hydrodynamische Lager Axiallager Hier werden die Kräfte in Längskräfte aufgenommen. Wie geschieht hier der verengende Spalt? Feste Keile Feste Taschen Kippbewegliche Taschen Welche zwei Grundarten von Axiallagern gibt es: Feste Axiallagerringe Kippbewegliche Segmente Date: Page 8

9 2. Das Hydrodynamische Lager Feststehender Axiallagerring In den feststehenden Axiallagerring sind in die feinst bearbeitete Gleitfläche mehrere in Drehrichtung verengende Keilflächen eingearbeitet. Radial verlaufende Schmiernuten sorgen für den notwendigen Schmiermittelzulauf. Um eine zu hohe Belastung der Lagerfläche im Stillstand und beim An- und Auslauf (Mischreibung) zu verhindern, sind noch Rastflächen parallel zur Lauffläche vorgesehen. Soll ein solches Lager für beide Drehrichtungen der Welle geeignet sein, müssen die Keilflächen in beide Umfangsrichtungen eingearbeitet werden, was die Gesamttragfähigkeit herabsetzt. Segment Axiallager Segment Axiallager erreichen eine höhere Tragfähigkeit. Hierbei wird die ringförmige Lagerfläche in einzelne Segmente Klötze unterteilt, die selbst kippbeweglich gelagert sind. Die Lagerung im Bild 2.7 links dargestellte Klötze über einen Bolzen als Kippelement bzw. Tellerfedern als Kraftaufnahme gestaltet, während rechts eine bewegliche Lagerung über Kugeln bzw. über Gummielemente erreicht wird. Der Vorteil dieser Anordnung liegt darin, dass sich durch die freie Bewegungsmöglichkeit der einzelnen Klötze immer ein optimaler Tragspalt einstellt. Date: Page 9

10 2. Das Hydrodynamische Lager Vorteile: Geringe Reibung Kein Verschleiß Lange Lebensdauer Keine Vibration Stoßempfindlichkeit Nachteile: Beim Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl entsteht Mischreibung -> Verschleiß Ständige Versorgung mit Öl -> Pumpen mit aufwendigen Zusatzaggregaten -> Kosten Date: Page 10

11 3. Das Hydrodstatische Lager Das Grundprinzip Bei hydrostatisch geschmierten Gleitlagern wird das Schmieröl unter hohem Druck (bis zu 200 bar) zwischen den gleitenden Teil gepresst, sodass diese in einem bestimmten Abstand von wenigen Hundertstel Millimetern gehalten werden, unabhängig ob die Gleitflächen bewegt werden oder stillstehen. Die Gleitflächen können sich daher nicht abnutzen. Der Öldruck wird in einer Pumpe außerhalb des Lagers erzeugt. Bei diesen Druckkammern sind die Gleitflächen durch seichte Räume (Kammern K) unterbrochen, denen das Drucköl über Bohrungen und Kanäle zugeführt wird. In den Druckkammern herrscht der volle Zulaufdruck p0, im Schmierspalt jedoch nur noch ein mittlerer Druck p, der etwa gleich dem halben Zulaufdruck ist. Die Reibverluste in hydrostatisch geschmierten Lagern sind geringer als in allen anderen Lagern. Durch Druckunterschiede zwischen den einzelnen Kammern mittels vorgeschalteter Drosseln D lässt sich sogar die Wellenlage beeinflussen. Date: Page 11

12 3. Das Hydrostatische Lager Bauarten Date: Page 12

13 4. Lagerwerkstoffe Wichtige Werkstoffeigenschaften: 1. Schmiegsamkeit: Beschreibt die Fähigkeit, sich elastisch oder gegeben falls plastisch den Formänderungen durch die Belastung anzupassen, Unempfindlichkeit gegen Verkanten 1. Einbett- und Einlauffähigkeit: Harte Schmutzteilchen in der Oberfläche einzubetten bzw. gleitende Oberflächen einander anzupassen und gegenseitig zu glätten 3. Verschleißfestigkeit: 4. Notlaufeigenschaften: Ist die Eigenschaft des Lagerwerkstoffes, den Gleitvorgang noch eine Zeit aufrechtzuerhalten, auch wenn unvorhergesehene ungünstige Betriebsverhältnisse auftreten 5. Statische und dynamische Belastbarkeit 6. Wärmeleitfähigkeit 7. Fressunempfindlichkeit 8. Schmierstoffbenetzung Date: Page 13

14 4. Lagerwerkstoffe Wichtige Werkstoffe: Date: Page 14

15 4. Lagerwerkstoffe Mehrstoffgleitlager: Werden bei hochbelasteten, schnelllaufenden Wellen, z.b.: Kurbelwellen eingesetzt. Date: Page 15

16 5. Schmierung Schmierungen: Festschmierung Fettschmierung Öl Handschmierung Selbstständige Schmiereinrichtung Tauchschmierung Ringschmierung Schleuderdruckschmierung Hydrodynamische Ölförderung Nasssumpfschmierung Trockensumpfschmierung Verlustschmierung Date: Page 16

17 5. Schmierung Festschmierung: Sind meist Graphit oder Molybdändisulfit, auch Kunststoffe, z.b. Teflon oder wartungsfreie Lager Buchse FMS, Festschmierstoff Date: Page 17

18 5. Schmierung Fettschmierung: Für gering belastete Lager und Gelenke sowie Lager in staubiger Umgebung ist einfach und billig Date: Page 18

19 5. Schmierung Öl Handschmierung und selbstständige Schmiereinrichtung: Das Schmiermittel wir aus einer Öl- oder Ölspritzkanne über ein Schmierloch zugeführt. Dabei erhält das Lager nur so viel Öl, dass es nicht heiß läuft. Date: Page 19

20 5. Schmierung Tauchschmierung oder Ringschmierung: Ist einfach sicher und sparsam. Umlaufende Scheiben oder Ringe tauchen in ein Ölbad und schleudern Schmiermittel in die Zuführungskanäle zu den Gleitflächen. Date: Page 20

21 5. Schmierung Schleuderdruckschmierung: Rotiert neben dem Lager eine ins Ölbad tauchende Scheibe. Diese besitzt radiale Nuten, die in einem äußeren Kragen münden. Dadurch arbeitet die Scheibe wie eine Kreiselpumpe und fördert das Öl nach außen. Von dort läuft es über Kanäle und Bohrungen zu den Schmiernuten der Lagerbuchsen. Date: Page 21

22 5. Schmierung Hydrodynamische Ölförderung: Bei Gleitlager mit hydrodynamischer Schmierung wird der Schmierfilm durch die Drehbewegung des Zapfens erzeugt. Beim Anlauf der Welle sind Zapfen und Lagerschale noch nicht vollständig durch den Schmierfilm getrennt, mit zunehmender Drehzahl wird das an der unbelasteten Lagerseite zugeführte Schmieröl vom Zapfen in den sich verengenden Schmierspalt gezogen. Der steigende Druck im Schmierspalt bewirkt, dass die Welle angehoben und dadurch die Reibung verkleinert wird, bei genügend großer Gleitgeschwindigkeit wird der Abstand der Gleitteile so gross, dass der Zapfen auf dem Ölfilm schwimmt.(flüssigkeitsreibung) Date: Page 22

23 5. Schmierung Nasssumpfschmierung Hier ist nur eine Druckpumpe erforderlich, die das Öl aus der großen und tief angesetzten Ölwanne absaugt (gelb) und mit einem Druck von rund 3,5 bar an die Schmierstellen presst (roter Kreislauf). Das Öl wird unten im Motor gebunkert, was die Bauhöhe deutlich vergrößert. Wäre die Ölwanne und damit der Ölpegel zu hoch angebracht, würden Kurbelwelle und Kupplung den Schmierstoff zu einer schaumigen Emulsion aus Luft und Öl verwandeln, was natürlich die Kühl- und Schmierwirkung drastisch verschlechtern würde. Während bei Motorrädern in Kurvenfahrt das Öl durch die Schräglage kaum zur Seite ausweicht, drückt es sich bei vierrädrigen Fahrzeugen durch die hohen Fliehkräfte zur Außenwand der Ölwanne, was in langgezogenen Kurven durch zu geringen Ölstand einen Zusammenbruch des Ölkreislaufs und damit der Schmierung bewirken kann. Bei Motorrädern wird es dann kritisch, wenn der Fahrer lange Wheelies in starker Rücklage fährt und sich das Öl aus der Ölwanne in den hinteren Bereich des Motorgehäuses verlagert. Im Gegensatz zu den frühen 70er Jahren, als Motorradmotoren noch nach dem Kaltstart oft mit mangelnder Schmierung der weit entfernten Nockenwellenlager (1) zu kämpfen hatten, versorgen heutzutage leistungsfähige Ölpumpen und ausgetüftelte Schmiersystem auch diese Lagerstellen zuverlässig mit Öl. Date: Page 23

24 5. Schmierung Trockensumpfschmierung Anwendung: Viertaktmotor; Ähnlich wie bei der Frischölschmierung wird hier das Schmiermittel in einem separaten Behälter mitgeführt und durch eine Druckpumpe (erste Ölpumpe) an die Schmierstellen befördert. Das abtropfende Schmieröl wird im Gegensatz zur Druckumlaufschmierung mittels einer zweiten Rückförderpumpe (Saugpumpe) aus dem Ölsumpf abgesaugt und zurück in den Ölbehälter gefördert. Die Rückförderpumpe hat dabei grundsätzlich eine höhere Förderleistung als die Druckpumpe, um bei jeder Fahrsituation das Schmieröl zuverlässig aus dem Kurbelgehäuse in das Ölreservoir zu pumpen. Date: Page 24

25 5. Schmierung Verlustschmierung: Zweitaktmotoren arbeiten sehr häufig mit Verlustschmierung. Kennzeichen ist, dass zur Motorschmierung ausschließlich Frischöl verwendet wird, welches nicht rezirkuliert werden kann, da es teilweise mit dem Kraftstoff mit verbrannt wird und teilweise unverbrannt aus dem Auspuff entweicht. Date: Page 25